Управление биотехнологическими процессами

Важным научным разделом биотехнологии, интенсивно развивающимся в настоящее время, является микробиологическая биотехнология, или биотехнология микробного синтеза, изучающая закономерности, присущие популяциям микроорганизмов различных видов.

Развитие биотехнологии микробного синтеза продиктовано, с одной стороны, потребностью в определенных продуктах, а с другой — наличием дешевого сырья и накоплением отходов, которые экономичнее утилизировать, чем уничтожать.

К основным задачам микробиологической биотехнологии относится теоретическое и экспериментальное обоснование методов и режимов, обеспечивающих воспроизводимое (с требуемой вероятностью) получение популяций микроорганизмов и целевых продуктов их жизнедеятельности с заданными свойствами в оптимальных условиях на макроуровне.

Результаты изучения закономерностей роста и метаболизма популяций служат научной основой создания микробиологических производств, а также оборудования, приборов и автоматизированных систем, необходимых для получения, обработки и хранения микробиологических препаратов.

С помощью микробиологического синтеза получают:

• 1) микробную биомассу (дрожжи, микроводоросли, белкововитаминный концентрат);
• 2) биохимические продукты, выделяемые микроорганизмами при культивировании или получаемые из биомассы (антибиотики, витамины, органические кислоты, ферменты, спирты);
• 3) химические продукты, образующиеся в результате ферментативной активности микроорганизмов, и их компоненты (6- аминопенициллиновая кислота);
• 4) очищенные от нежелательных компонентов среды (осветленные сточные воды, депарафинизированная нефть);
• 5) ценные металлы, выделенные с помощью микробиологического выщелачивания металлов из руд.

Производства на основе микробиологической технологии носят многостадийный характер и включают наряду с микробиологической стадией большое число других процессов, характерных для химической технологии в целом.

Наиболее важным элементом микробиологических технологий является собственно микробиологическая стадия — ферментация, включающая культивирование, брожение, биосинтез, биотрансформацию, биоконверсию.

Перечислим основные особенности проведения микробиологической стадии.

• 1. Культивирование микроорганизмов должно проходить в условиях строгой чистоты культуры, что достигается стерилизацией как основной, так и вспомогательной аппаратуры, а также всех компонентов, поступающих в ферментер.
• 2. Культивирование микроорганизмов проводится в гетерогенных многофазных системах, реологические свойства которых в ходе процесса часто изменяются.
• 3. Многокомпонентность питательных сред.
• 4. Сложность биохимических механизмов регуляции роста биомассы и синтеза микробных метаболитов.
• 5. Автокаталитичность процесса, т. е. влияние продуктов на его скорость.
• 6. Более высокая вариабельность биотехнологических процессов по сравнению с химико-технологическими.
• 7. Относительно низкие скорости реакций, а также концентрации субстратов и получаемых продуктов, которые, как правило, еще не являются конечными.
• 8. Обычно умеренная температура (20…40 °С) и близкие к нейтральным значения pH.
• 9. Различие условий, оптимальных для роста микроорганизмов и биосинтеза целевых продуктов метаболизма.
• 10. Культивирование микроорганизмов является сложной системой с выраженной многоуровневой структурой.
• 11. Культивирование микроорганизмов — технологический процесс, требующий наличия сложной аппаратуры, инструментального, компьютерного и других видов обеспечения.